반도체 기술 변화 짚어보기 - 4) 증착 공정의 변화: Epitaxy, High-K

HKMG 와 GAAFET 상용화가 본격화됨에 따라 High-k, Si/SiGe 증착 장비와 전구체의 수요가 증가할 것으로 전망된다.

 

HKMG 에서 High-k 유전막은 CVD 를 통해 형성되고 GAAFET 에서 Si/SiGe 층은 epitaxy 를 통해 성장된다. 당사는 High-k 와 Si/SiGe 소재에 대해 이해하기 위해 증착 방법 분류와 전구체에 대해 설명하고 어떤 국내 업체들이 수혜를 받을 수 있는지 알아보자.

 

 

(1) 증착 장비 시장 트랜드: 상위 3 개 업체 점유율 73.2%

 

증착 공정은 반도체 전공정에서 가장 큰 비중을 차지하는 공정 중 하나이며 장비 시장에서 가장 큰 규모를 가지고 있다.

 

증착 장비 시장은 2021 년 Applied Materials, Lam Research, TEL 가 73.2%의 점유율을 차지하고 있는 시장으로 진입 장벽이 높으며 최근에는 원자 단위의 증착 정밀도를 요구하는 장비 수요가 증가하면서 향후 진입 장벽은 더 높아질 전망이다.

 

아직 국내 업체들의 증착 장비 점유율은 낮으나 Epitaxy, ALD 장비 등 난이도 높은 장비 국산화에 성공하면서 점진적인 점유율의 상승세를 보여줄 것으로 예상된다.

 

 

2023 년은 반도체 제조 업체들의 CAPEX 가 대폭 감소하면서 증착 장비 시장도 함께 역성장했으나, IT Set 대당 반도체 탑재량과 반도체 소자 집적도가 증가함에 따라 2024 년부터 점진적인 상승세를 보여줄 전망이다.

 

 

 

 

(2) ALCVD, epitaxy 장비 수요 증가할 전망

 

증착은 크게 물리적인 반응을 일으켜 증착하는 PVD(Physical Vapor Deposition)과 화학 반응을 통해 증착하는 CVD(Chemical Vapor Deposition)로 나뉜다.

 

금속전극은 CVD 로 제조가 어렵기 때문에 Sputtering 방식의 PVD 가 주로 쓰이며, 나머지 공정은 주로 CVD 가 사용된다.

 

CVD 종류로는 상압에서 공정이 진행되는 AP(Atmospheric Pressure)CVD, 감압 하에서 막을 제조하는 LP(Low Pressure)CVD, 플라즈마를 활용한 PE(Plasma Enhanced)CVD 와 HDP(High Density Plasma)CVD, 원자층 수준의 박막을 형성 가능한 AL(Atomic Layer)CVD 가 있다.

 

반도체 소자의 집적도가 높아질수록 더욱 정교한 CVD 기술이 요구되었으며 원자 레벨의 증착 가능한 ALCVD 가 박막 증착의 핵심 기술로써 부각 받고 있다.

 

ALCVD 는 열처리, 플라즈마, 오존 기반 원자층 증착 공정으로 나뉘지만 기본적인 매커니즘은 비슷하다. 기본적으로 웨이퍼 표면에 반응 가스 A 를 투입해 원자층 A 를 형성하고, 불활성가스(반응에 참여하지 않는 가스)로 잔여한 미반응 가스 A 를 제거하는 공정을 반복하는 방법이다.

 

ALCVD 기술은 1970 년대 등장한 기술이지 만 반도체 기술 발전에 따라 여러 방법들이 추가로 개발되고 있고 적용 분야도 태양전지, OLED 등으로 확산되고 있다.

 

ALCVD 는 APCVD, LPCVD 대비 시간당 처리량이 적어 반도체 분야에서의 활용도가 적었지만 High-k 절연막, 커패시터 적용을 위한 산화물 물질, 금속 게이트 적용을 위한 질화물 물질 형성 공정 등 집적도 향상과 소재 변화에 따라 적용처가 늘어나고 있기 때문에 향후 ALCVD 장비 업체들의 성장성이 가파를 것으로 전망된다.

 

국내 ALCVD 장비 업체로는 원익 IPS, 주성엔지니어링, 유진테크가 있다.

 

 

Epitaxy 는 단결정 기판 위에 단결정 막을 형성하는 방법

 

Epitaxy 는 모재(Substrate)를 결정 종자(Crystal Seed) 삼아 반도체를 성장시키는 공정이다. 주로 기판이 종자로 사용되며 일정한 방향성을 가진 단결정 막을 형성하는데 쓰인다.

 

모재와 성장된 반도체의 종류가 같으면 동종 epitaxy, 다르면 이종 epitaxy 라고 불린다. Epitaxy 를 통해 성장된 막은 고순도이며 단결정 이기 때문에 전자 이동도가 뛰어나다는 장점을 가지고 있다.

 

 

Epitaxy 는 크게 LPE(Liquid Phase Epitaxy), MBE(Molecular Beam Epitaxy), VPE(Vapor Phase Epitaxy)가 있다.

 

LPE 는 성장될 재료가 포함된 용액에 모재를 넣어 가열하는 방식으로 결정막을 성장시킨다. 이는 융점이 다른 두 물질의 성질을 이용해 단결정 박막을 형성하는 방법이며 반응 속도가 빠르다는 장점이 있지만 박막 두께와 물질 조성비를 제어하기 힘들어 현재는 MBE 나 VPE 를 주로 이용한다.

 

MBE 는 PVD 와 유사한 방법으로 초고진공 반응기에서 증발된 결정 재료를 분자나 원자 형태로 빔을 형성시켜 결정을 성장시키는 방법이다. MBE 는 박막 특성이 좋고 두께 및 조성 제어가 가능하다는 장점을 가지고 있다.

 

VPE 의 경우 고체 또는 액체를 증발을 통해 모재에 성장시키는 방법으로 CVD 와 유사하며 MO(Metal Organic)CVD 가 대표적이다. MOCVD 는 3 족 원료에 유기금속소스를 사용하는 epitaxy 방법으로 성장속도, 양산성, 대형화가 다른 방법들에 비해 용이해서 가장 보편적으로 쓰이고 있다.

 

 

GAAFET 의 SiGe 층을 형성하기 위해 Epitaxy 가 사용됨

 

Epitaxy 는 반도체보다 OLED, 태양광 소자를 제조하는데 주로 쓰였다. 반도체 소자 제조 과정에서는 트랜지스터 전하 이동 속도 향상을 위한 SiGe 성장 외에는 자주 쓰이지 않았으나 최근 SiC 웨이퍼 제조, GaN 웨이퍼 제조, GAAFET 채널 형성을 위한 Si/SiGe 층 형성 등 비메모리 반도체 소자에서 활용도가 늘어나면서 관련 장비 수요가 늘어날 것으로 전망된다.

 

 

 

 

(3) High-k, SiGe 전구체 수요 증가할 전망

 

비메모리 반도체에 이어 DRAM 에도 High-k 가 적용되기 시작

 

High-k 소재가 비메모리에 이어 DRAM 까지 채택되면서 High-k 유전막과 게이트 전구체 수요는 꾸준히 증가할 것으로 전망된다.

 

비메모리용 High-k 물질로는 Zr 계열 소자가 주로 쓰였으나 최근에는 Hf 기반 High-k 물질이 각광 받고 있다. 반도체 전구체는 특허 문제로 인해 같은 계열의 전구체라도 업체마다 적용되는 공정과 첨가되는 물질이 상이하다.

 

현재는 Hf 기반에 다른 첨가제를 추가하거나 Hf 을 대체할 수 있는 Al, Ta, STO, BST 등의 새로운 물질을 찾는 방향의 개발이 이루어지고 있다. DRAM Capacitor 용 High-k 유전막은 ZAZ(ZrO2, Al2O3, ZrO2)구조가 채택되어 왔지만 10nm 이하 공정부터 ZrO2 가 결정화되기 어려워지면서 새로운 유전막으로 ZAT (ZrO2 / Al2O3 / TiO2) 소재가 적용될 수 있을 것으로 예상된다.

 

국내 High-k 전구체 업체로는 디엔에프와 레이크머티리얼즈, 메카로 등이 있다.

 

 

 

GAAFET 채널을 형성하기 위한 보조막으로 SiGe 가 채택되면서 Ge 전구체 수요 늘어날 전망

 

삼성전자가 GAAFET 구조의 채널을 형성하기 위한 보조막으로 SiGe 를 선택하면서 Ge 전구체 수요가 증가할 것으로 예상된다. 기존 트랜지스터의 drain 과 sourse 부분에 성장되는 SiGe 와 달리 GAAFET 에서는 3~4 개의 레이어를 형성해야 하기 때문에 사용되는 양이 더 많을 것으로 추측된다.

 

다만 현재 파운드리 업체 중 삼성전자만이 유일하게 3nm GAAFET 반도체를 양산하였으며, 수율도 높지 않아 단기적인 수요 증가는 기대하기 어렵다. 삼성전자의 GAAFET 수율 개선, Intel 과 TSMC 가 GAAFET 구조를 채택하는 시점부터 Ge 전구체 수요가 점진적인 성장을 보여줄 것으로 예상된다.

 

국내 Ge 전구체 생산 가능한 업체로는 레이크머티리얼즈, 원익머티리얼즈, 오션브릿지가 있다.

 

 

 

 

출처: 하이투자증권, 삼성전자, SK hynix, Gartner

 

뜨리스땅

 

 

 

https://tristanchoi.tistory.com/680

반도체 기술 변화 짚어보기 - 3) NAND, 200 단을 넘는 양산 제품